Récupération d`énergie pour les systèmes autonomes

Récupération d’énergie pour
les systèmes autonomes
École thématique ECOFAC 2010
http://ecofac2010.irisa.fr/
Conception faible consommation pour les systèmes embarqués temps réel
Plestin les Grèves - 29 mars au 2 avril 2010
Bernard MULTON, Marianne LOSSEC, Hamid BEN AHMED
ENS Cachan site de Bretagne
Département Mécatronique, Laboratoire SATIE CNRS
B. Multon et al
Plan
- Positionnement du problème, « vision système »
- de la ressource au besoin
- découplage énergie – puissance, gestion d’énergie
- stockage
- Ressources et transducteurs associés pour la production d’électricité
- lumière, conversion photovoltaïque
- récupération d’énergie mécanique
- chaleur, thermoélectricité
- ondes radiofréquences
- Bilan
B. Multon et al
al.
De la ressource énergétique au besoin
Lumière (solaire, artificielle)
Mouvements (vibratoires, humains…)
Chaleur
Rayonnements électromagnétiques
(éventuels carburants…)
Récupération (scavenging, harvesting)
Transducteur
(convertisseur en électricité)
Conversion électronique de puissance (adaptation)
et/ou stockage
Un domaine en émergence depuis les années 1990
Des solutions spécifiques et encore pas vraiment standardisées
Utilisation/gestion
B. Multon et al
Besoins en découplage énergie - puissance
Ressource
énergétique
continue ou
fluctuante,
intermittente
Transducteur
(conversion en
énergie électrique)
ηT
Utilisation
continue ou
fluctuante,
intermittente
Convertisseur
électronique
de puissance
ηC
Stockage
Le stockage permet :
- de suppléer les intermittences de production
- de découpler énergie et puissance
(la puissance délivrée par l’accumulateur peut être supérieure à celle en sortie du convertisseur)
Nécessité d’une gestion d’énergie pour :
- optimiser la récupération d’énergie
- ne pas surcharger l’accumulateur et ne pas trop le décharger
- optimiser éventuellement la consommation (mode veille, stratégies internes…)
B. Multon et al
Quelques données sur le stockage d’énergie
- Electricité « embarquée »
Piles électrochimiques (non réversibles) : les plus performantes au lithium
jusqu’à 500 Wh /kg et 1000 Wh/dm3 et très faible autodécharge
Réversibles : accumulateurs électrochimiques :
60 (NiMH) -> 200 Wh/kg (Li-Ion et Li-polymère) et 600 Wh/dm3
décharges possibles de qq min (NiMH) à qq mois
Possibilités d’intégration, nécessité d’une gestion d’énergie avancée
supercondensateurs : 5 Wh/kg
décharges possibles de qq s à qq heures voire qq jours
- volants d’inertie (rasoirs) : ≅ 1 Wh/kg
- ressort mécanique : 0,2 Wh/kg
Nécessitent un
convertisseur électromécanique
(moteur-générateur)
B. Multon et al
Stockage d’énergie (suite)
Comparaison :
- accumul. électrochimiques : -> 200 Wh/kg
- super-condensateurs : qq Wh/kg
- Air comprimé « embarqué »
Sous 200 bars, avec réservoir composite < 10 Wh/kg
- Carburants « embarqués » (renouvelables ou non)
Avantage : densité d’énergie élevée,
Carburants liquides : environ 10 kWh/kg hors réservoir
(facilité de conditionnement/stockage)
Hydrogène comprimé : 34 kWh/kg (hors réservoir),
≅ 1 kWh/kg avec réservoir
- Graisses : 10 kWh/kg,
avec 22% de rendement métabolique : 2,2 kWhméca/kg
B. Multon et al
Exemple d’accumulateur miniature au lithium avec gestion intégrée
EnerChip™ CBC050
Source : Cymbet Corp
8 x 8 x 0,9 mm
50 µAh – 3,8 V
300 µA maxi pendant 20 ms
(décharge 6C)
résistance interne : 1,5 kΩ typ
Tenue en cyclage (autre techno lithium)
¾5000 cycles à 10% de SOC
¾Recharge possible en 50 min à 80% de SOC
(sous 4,1 V)
Source : Cymbet Corp
DOC = 1-SOC
10 µA Ù décharge C/5
Source : SAFT
B. Multon et al
Conversion photovoltaïque
B. Multon et al
Ressource : intensité de l’irradiation lumineuse
1 W/m² ≅ 100 lux en lumière solaire AM 1,5
(1 lux = 1 lumen/m²)
Plein soleil : 1000 W/m² (≅ 100 000 lux)
Soleil voilé : 500 W/m² (≅ 50 000 lux)
Ciel nuageux : 200 à 50 W/m² (≅ 20 000 à 5000 lux)
Intérieur : vers une fenêtre : 400 à 2000 lux (≅ 4 à 20 W/m²)
Large dynamique
> 1 : 1000
Selon spectre de la source…
éclairages artificiels : 100 à 1500 lux
Eclairements requis (ordres de grandeur) :
Lieux de circulation :
Standard (plan de travail bureau) :
Travail de précision :
Bloc opératoire :
40 lux mini
500 lux (200 lux mini)
1000 lux
8 à 15 000 lux
B. Multon et al
Conversion photovoltaïque
De la convention récepteur (diode) à générateur (PV)
Id = -Ip
Principe cellule PV
Ip
Vp
Courbes de puissance P(V)
Source : http://www.rise.org.au/
Source : Techniques de l’ingénieur
Points de
puissance maximale
B. Multon et al
Rendements technologies PV
Avec silicium : rendements possibles > 25% de rendement
Source : NREL
Avec des multijonctions et avec concentration : > 40% de rendement
B. Multon et al
Technologies courantes
11 x 11 x 0,5 mm
0.55V, 500 µA
(silicium)
Silicium polycristallin et monocristallin
Silicium amorphe (aSi) rigide ou souple (η : 2 à 6%)
Autres films minces :
ex: CiS (cuivre indium selenium)
Source : Flexcell
À 1000 W/m²
Avec 16% de rendement : 160 W/m²
ou 16 mW/cm²
Aux faibles éclairements
(moins de 3 W/m² ou 300 lux) :
rendement aSi > rendement Si cristallin
Source : Reich et al., 21st European Photovoltaic Solar Energy Conf. 2006
B. Multon et al
Chaîne de conversion
Modules PV directement connectés à un accumulateur
Ib
Ip
Vp = [ U bo − R b .I u ] + R b .I p
Iu> 0 Iu=0
Ip
Iu
Vp = U bo + R b .I p
4
Vp
2
3
consommation
Ubo
Pp
Module PV
1
5
6
Rb
1
2
4
5
6
Accumulateur
Vp
Ubo
3
Vp = U bo + R b .(I p − I u )
Modèle :
Vp
Sachant que Ubo et Rb sont également fonction de l’EDC et que Iu varie
B. Multon et al
Chaîne de conversion
Utilisation d’un convertisseur à contrôle MPPT (maximum power point tracking)
Utile pour exploiter la puissance maximale dans des conditions très
Variables :
de température,
d’ensoleillement…
de tension continue (vieillissement batterie, EDC…)
des disparités d’éclairement des modules
de la consommation…
Is
Ib
Ip
Vp
Convertisseur
DC-DC
Cde MPPT
Ensemble
de modules PV
Iu
Rb
consommation
Ub
Ubo
Accumulateur ou bus DC
B. Multon et al
DOD = 0
Vp = [ U bo − R b .I u ] + R b .I p
DOD = 80%
Exemple avec accu lithium en connexion directe
3
1
Module Solems
Si amorphe 54x54 mm²
4
2
3
Accu Li-Po (UBC322030)
120 mAh
Ub0 ≅ 4,17 V (– 0,55 DOD)
Rb ≅ 600 Ω
1
Un convertisseur MPPT avec
un rendement global de 70%
apporterait-il un gain significatif ?
4
Source : M2R Marianne Lossec, 2008
2
B. Multon et al
Profil de fonctionnement en situation réelle
(intérieur d’un bâtiment et en mouvement)
≅ 500 à 3000 lux
≅ 100 à 500 lux
Moyenne cycle
≅ 70µA
(260 µW)
@ 200 lux (3 W/m²) : ≅ 60 µW => 4 µW/cm²
@3000 lux (30 W/m²) : ≅ 800 µW => 50 µW/cm²
Source :M. Lossec et al, NEST 2009
Exemple : moyenne : ≅ 260 µW => 17 µW/cm²
B. Multon et al
Applications
Faibles besoins d’énergie en faible éclairement : Si amorphe
Calculatrice (source: Solems)
Montres
Accumulateur nécessaire
6 mois d’autonomie possible
Consommation d’une montre :
< 1µA sous 1,5 V (1,5 µW)
Cellule de 3 à 4 cm²
Fonctionnement direct sans accu
qq µA sous 1.5V
Seuil d’éclairement env. 50 lux
(0,5 W/m²)
Avec un rendement de 4%,
et une surface de 3 cm² :
PPV = 12 mW à 120 µW
(11 s/jour à 18 min/j)
(Source : Citizen)
Faibles encombrements, plus forts besoins : Si cristallin
Capteur autonome
Dans 2,5 x 3,5 x 1mm :
1 capteur PV
1 accumulateur lithium intégré
(film mince, Cymbet)
1 circuit électronique basse conso
(microproc. ARM Cortex-M3) (Source : Univ. Michigan)
Kit capteur communicant 90 x 50 mm
(Source : Cymbet Corp)
B. Multon et al
Applications plus forte puissance
Silicium cristallin :
0,1 m² @ 1000W/m² et 14% => 14 W
Silicium amorphe couches minces : souple mais faibles rendements (< 6%)
Source : Flexcell
B. Multon et al
Conversion
d’énergie mécanique en électricité
Source : EnOcean
Source : Freeplay
B. Multon et al
Ressources mécaniques
Mouvements humains :
- volontaires : pédaler, tourner une manivelle, tirer…
- naturels : efforts sous les pieds, articulations, pendulations…
(fréquences faibles)
Vibrations mécaniques dans l’environnement (machines…) :
caractérisées en fréquence et accélération x = X M sin(Ωt )
..
x M = X M .Ω 2
Vibrations acoustiques :
Seuil d’audition : 1 pW/m²
Bruit de 100 dB : 10 mW/m²
B. Multon et al
Ressources humaines
Chaleur métabolique :
80 W au repos à plus d’1 kW en activité intense
Un cycliste entraîné peut atteindre
une puissance mécanique de :
100 W permanents
350 W en pointe
Souffler 0.4 W
(1 W crête)
coeur 1 W
Respiration
0.4 W à 0,8 W
Mais faible rendement
Mouvements
de conversion mécanique : environ 20%
d’un doigt 0.8 à 2 mW
pour 200 W mécaniques :
(20 mW crête)
plus de 800 W de chaleur et de la fatigue…
Produire 100 W en pédalant pendant 1 heure nécessite :
360 kJ mécaniques
1,8 MJ calorifiques ou 430 kcal (soit 100 grammes de pâtes)
Mouvements
des bras 0.3 W
(60 W crête)
Ecrasement des
pieds 5 à 8 W
(67 W crête)
Source :
Human-Powered Wearable Computing - Starner 1996
B. Multon et al
al.
Vibrations : ressources et récupération
Source : Nikkei Electronics Asia , feb. 2009
B. Multon et al
al.
Principes de conversion électro-mécanique
Ressource
mécanique
Adaptation
mécanique
Transducteur
électromécanique
Convertisseur
électronique
Énergie
électrique
conditionnée
Pas de limite thermodymique pour convertir
l’énergie mécanique en électricité avec de bons rendements :
- convertisseurs électromagnétiques (à aimants)
- conv. Électrostatiques (capacité variable)
- conv. piézoélectriques
- autres matériaux électro-actifs (magnétostrictifs)
B. Multon et al
Convertisseurs électromagnétiques
En grandes puissances : les rendements tendent vers 100%
En petites puissances,
ils diminuent lorsque le dimensionnement est thermique,
mais peuvent être élevés :
- si la fréquence et/ou la vitesse de rotation sont élevées
- si on augmente la quantité de matière active (cuivre, fer, aimant)
(réduction de la densité de pertes)
- si on soigne la qualité :
bon remplissage en cuivre,
faible entrefer…
Ex. : moteur de montre : 100 µW η ≅ qq %
(fonctionnement en pas à pas)
η
Allure générale du rendement :
(Pertes fonction du couple et de la vitesse)
Couple
B. Multon et al
Convertisseurs électromagnétiques
Différents principes :
- synchrones à aimants : à collecteur mécanique ou électronique
- à réluctance variable (pas d’aimants et peu performants en petite dimensions)
- asynchrones (idem)
(RV et asynchrones peuvent être performants avec de très grandes vitesses)
cylindrique à champ radial
et différentes architectures possibles :
- tournantes
stator
entrefer
rotor
rotor
entrefer
stator
arbre fixe
solidaire
du stator
arbre tourna nt
solidaire du rotor
rotor intérieur
rotor extérieur
discoïde à champ axial
stator
externe
double
entrefer
rotor
externe
double
entrefer
arbre fixe
solidaire
du stator
stator
arbre tourna nt
solidaire du rotor
rotor intérieur
- linéaires
rotor extérieur
(mais difficile d’avoir des mouvements rapides et de bons rendements en petites dimensions)
B. Multon et al
Exemple de générateur rapide discoïde à champ axial (planaire)
Rotor SmCo
Mise en évidence
des 30 pôles
Stator et support
Forces électromotrices triphasées à 50 000 tr/min
Signal de sortie des 3 phases à 50 000 trs/min
1
Caractéristiques :
0,8
(avec 4 conducteurs
par pôle et par phase)
Épaisseur cuivre : 20 µm
Résistance de phase : 5 Ω
Inductance de phase : 0,6 µm
Même à 60 000 tr/min et 15 kHz :
Lω ≅ 0,06 Ω << R
0,6
0,4
0,2
0
tension (volt)
-9,00E-05
Rendement : 15% à 60 000 tr/min
30% à 140 000 tr/min
-4,00E-05
1,00E-05
6,00E-05
1,10E-04
-0,2
-0,4
-0,6
phase 1
-0,8
phase 2
phase 3
-1
Source : J. DELAMARE, 2002 LEG/G2ELab/LETI
tem ps (s)
B. Multon et al
Un exemple de chaîne de conversion électromécanique :
le système Autoquartz
Diamètre total ≅ 26 mm
Epaisseur totale ≅ 4 mm
Le ressort se charge à travers un multiplicateur à engrenages (m = 1,6)
sous l’effet des rotations partielles de la masselotte (220 g.mm²)
Le ressort est couplé au rotor de la génératrice à travers un autre multiplicateur (m=5)
Lorsque le couple maximal de détente est atteint (≅ 10µN.m)
=> décharge du ressort à une vitesse de rotation bien optimisée
Source : M. Lossec et al, EF 2009
B. Multon et al
Un exemple de chaîne de conversion électromécanique : le système Autoquartz
Diamètre : 4 mm
Hauteur : 2,2 mm
Rotor aimants SmCo : 2p = 14
1100 spires
Flux maxi ≅ 0,6 mWb
Résistance ≅ 300 Ω
Redresseur actif à MOS : 30 Ω
Vitesse de rotation lors de la décharge : 5 à 10 000 tr/min
Influence de la tension du bus DC
Ordres de grandeurs:
● énergie accumulée dans le ressort: 100µJ
● durée d’une décharge: 50ms
● fréquence de répétition des décharges: 0.2Hz
● rendement global de conversion : 30%
Ö Pmoy= 6µW
Source : M. Lossec et al, EF 2009
B. Multon et al
Générateur portable fonctionnant à partir
des mouvements naturels de la marche
Caractérisation des mouvements de la marche
Au niveau de la hanche :
Marche :
- Amplitude cc : 4 cm
- fréquence : 2 Hz à 1 pas/s
Course : maxi
- amplitude : 10 cm
- fréquence : 5 Hz
La fréquence des oscillations varie peu : 2 à 3 Hz
B. Multon et al
al.
Structure électromécanique directe à mouvement linéaire oscillant
Principe et modélisation :
hanche
+
L(t)
Lo
m
masselotte
h(t)
k’
x(t)
k=2.k’
Boîtier
solidaire
de la
hanche
Sol
B. Multon et al
al.
Récupération du maximum de puissance
XM = amplitude de l’excitation
À la pulsation propre (résonance) :
ωstep = ω0 =
FM
k
Ö Pmax =
2.λ
m
amplitude de la force d’excitation
appliquée au système
FM = m.X M .ω0 2
Il existe une valeur optimale de λ (amortissement) pour maximiser la récupération de puissance :
Hip
Average power (mW)
m = 50 g
Xmax = 2 cm
F=f0 = 2 Hz
Lmax = 4 cm
Points donnant λopt pour
maximiser P en
considérant les butées
λ opt =
Lmax =2 cm
m.X M .ω0
L max
Lmax
Flyweight
m
k
Lmax
Case
Þ
Very stiff spring
Pmax =
λ
m.X M .ω30 .L max
2
Source : S. Turry et al, EPE 2003
B. Multon et al
Effets de la fréquence d’excitation et de résonance (simulations) :
la fréquence propre du système (f0 ) ne doit pas nécessairement être égale à celle d’excitation (fstep )
m= 50 g
débattement ± 4 cm
Courbe correspondant
à un fonctionnement
accordé
mécaniquement =>
limite de
performances si l’on
pouvait ajuster la
fréquence propre :
P0 =
m.ZM.ω30.LMAX
2
Source : M. Ruellan et al, IEEE IAS 2005
210mV
k
= 3,5 Hz
m
k
= 2 Hz
m
40mV
B. Multon et al
Comparaison d’architectures électromagnétiques à bobine mobile,
résultats d’optimisation
coil
magnet or iron
air
(B)
(A)
(C)
Configuration A
Configuration B
Configuration C
P0 (mW)
240
250
230
mobile mass (kg)
0.27
0.21
0.08
Spring stffness
(N/m)
42.5
33
12
Total mass (kg)
0.96
0.9
1.75
Source : M. Ruellan et al, IEEE IAS 2005
B. Multon et al
Prototype :
Configuration (B) :
- axially magnetized permanent magnet
with ferrite permanent magnet (M = 0.39 T)
- single phase coil
- stiffness of 106 Nm-1
f0 = 7,3 Hz
- mobile mass of 50g
}
spring
coil
magnets
34
B. Multon et al
Optimisation système :
Source énergie
humaine
Masse
mobileContraintes méca
(Lmax, mmax)
Br, τ, …
Speed (v)
λopt
Mécanisme
Générateur
u
i
charge
F = λopt.v
Force de Laplace
Marcheur :
fstep=2Hz; amplitude excitation XM=4cm
Flyweight:
m= 50 g ; débattement ± 4 cm
Système électr. : 4 bobines; 10 couches; 37 tours ;
0.25 mm diamètre fil ;
Rc=16 Ω; RLoad=3.9 kΩ
Ö E = 25 V; I = 4.5 mA
ª Pméca = 40 mW
Pélec = 39 mW
Electrical power (W)
Exemple :
Time (one step period)
B. Multon et al
al.
Exemple commercial :
générateur récupérateur de mouvements vibratoires Perpetuum
PMG17 Vibration Energy Harvester
avec carte électronique de stockage
par supercondensateurs CAP-XX
Diam : 55 mm – H : 55 mm - 655 grammes
Optimisé pour des vibrations à 100 Hz (ou 120 Hz)
@1g
et 100 Hz
(≅ 25 µm)
Pmax = 45 mW
@ 0,025 g et 100 Hz
(≅ 0,62 µm)
Pmax = 1 mW
Source : http://www.cap-xx.com et http://www.perpetuum.com/
B. Multon et al
Transducteurs piézo-électriques
Effet piézoélectrique :
bien adapté aux efforts élevés,
ou aux phénomènes vibratoires
En mode générateur :
contrainte mécanique
=> champ électrique
Mode longitudinal : d33
Mode transverse : d31
Source : Piezo Systems Inc.
Charge électrique :
Force électromotrice :
Q = d 3i .F.S
d3i en C/N ou m/V (S = L.W section)
f.e.m. = g 3i .F.T
g3i en V.m/N ou m²/C (T = épaisseur)
B. Multon et al
Bimorphes (deux films piezo) mode d31 :
Mode cintrage
Mode transverse
f.e.m. ∝ ∆ Lin
Icc ∝ LxW
∆ Lmax∝ L
Source : Piezo Systems Inc.
f.e.m. ∝ L-2
Icc ∝ LxW
∆ Xmax∝ L²
Modèle électrique en régime vibratoire (la variable d’entrée est le déplacement) :
i PZT = α.
dv
du
− C 0 . c0
dt
dt
u(t) = déplacement
α en N/V
dépend des dimensions et des propriétés piezoélectriques
Source : Guyomar et al Journal of Intelligent Material Systems and Structures_2009
B. Multon et al
Matériaux piézoélectriques
Matériaux actuellement les mieux adaptés :
- céramiques : Plomb Zirconium Titanate (PZT)
Source : Piezo Systems Inc.
déformations de l’ordre de 0,1 %
Coefficient d33 : ≅ 200 à 800 10-12 C/N (charge en ct-ct)
Coefficient (f.e.m.) g33 : ≅ 10 à 20 10-3 V.m/N
pertes diélectriques tgδ ≅ 0,02
- polymères, moins rigides, polyvinylidène difluoré (PVDF)
Coefficient d33 : ≅ -20 à 30 10-12 C/N (charge en ct-ct)
Coefficient (f.e.m.) g33 : ≅ -200 à 300 10-3 V.m/N
pertes diélectriques tgδ ≅ 0,2
- PZT sur PDMS (polymère) => souple
Source : Univ. de Princeton 2010
B. Multon et al
Structures mécaniques pour exploitation de fortes pressions
Système PZT pour talon de chaussure (MIT)
Système PVDF pour semelle de chaussure (MIT)
Source : Khaligh et al IEEE trans IE march 2010
Structures mécaniques pour exploitation de sources vibratoires
Structure cantilever
Source : Guyomar et al Journal of Intelligent Material Systems and Structures_2009
ω0 =
k
M
B. Multon et al
Caractéristiques de récupération
d’une structure cantilever piézoélectrique
Volume total : 0,24 cm3 (22x3,5x2mm)
Masse du bloc : 0,554 grammes
f0 = 86 Hz
PZT
T215-H4-103Y Piezo Systems Inc.
32 x 3,2 mm² x 0,139 mm
Source : LE et al. IEE trans IE march 2010
a = 0,75 g
à vide
Sur charge résistive
200 µ W
Accélération
B. Multon et al
Chaînes de conversion électriques
Optimisation de la récupération
Source : Tabesh et al. IEEE trans IE march 2010
Modèle électrique du générateur piézo et conversion efficace
α en N/V
i PZT = α.
dv
du
− C 0 . c0
dt
dt
Source : Guyomar et al Journal of Intelligent Material Systems and Structures_2009
B. Multon et al
Exemples
PVDF
PZT
Source : J.A. Paradiso, M. Feldmeier 1999, ww.media.mit.edu
B. Multon et al
Chaussures piezoélectrique avec convertisseur électronique, élément
de stockage et émetteur radio 300MHz
Rendement global : 17%
Talon: Pmoy=8.3mW
Doigts de pied: Pmoy=1.3mW
Source : J.A.Paradiso, M.Feldmeier 1999, www.media.mit.edu
44
B. Multon et al
Exemple commercial :
générateur récupérateur de mouvements vibratoires CEDRAT
VEH-APA 400M-MD
Dimensions de la masselotte : 50x32x22 – 270 grammes
Optimisé pour vibrations à 110 Hz – 45 µmpp (1,1 g)
Source : http://www.cedrat.com
B. Multon et al
Exemples
Source : EnOcean www.enocean.com
Interrupteurs autonomes sans fils
Pastille PZT diam. 5 mm
Épaisseur 15 mm
Déformation qq microns sous 100 N
Télécommande sans piles
Impulsion de 8N
Ö 100 µJ avec V = 3.3V
B. Multon et al
Transducteurs électrostatiques
Adaptés aux faibles dimensions :
« facilement » intégrables sur silicium
bénéficient d’effets d’échelle favorable :
(par rapport aux transducteurs électromagnétiques)
pas de pertes associées au maintien d’une force
champ de claquage élevé pour les faibles « entrefers » (loi de Paschen)
Structures à capacité variable similaire à celles à inductance variable
Analogie
B. Multon et al
Transducteurs électrostatiques
6 à 8 µW
Source : Amirtharajah Meninger 2000/2001 via Mitchenson et al IEEE 2008
B. Multon et al
Transducteurs électrostatiques
1 à 80 10-8 µ W/(mm².Hz.V²)
Source : Basset et al, JMM 2009
B. Multon et al
Conversion thermoélectrique
Source : Heat2power
Source : Leonov, IMEC, Electronic Design
B. Multon et al
Sources de chaleur
Emission du corps humain
La température du corps est régulée à environ 37°C.
Si Tamb < Tpeau : flux de chaleur vers l’extérieur
P
= h.(Tpeau − Tamb ) W / m ²
S
Ordre de grandeur :
dans l’air au repos : h ≅ 8 W/(m².°C), ainsi pour un écart de 15°C
(ambiance à 22°C), la peau dissipe 120 W/m² ou 12mW/cm²
Les vêtements limitent la puissance dissipée
en augmentant la température « ambiante »
Autres sources :
- Pertes des machines thermodynamiques
- Chaleur solaire captée…
B. Multon et al
Thermoélectricité :
conversion directe (et statique) de la chaleur en électricité (effets Seebeck et Peltier)
Du thermocouple au module thermoélectrique
∆T
Equations de principe dans le matériau
N thermocouples
électriquement en série et
thermiquement en parallèle
Champ
électrique
E = ρ.J + α.∇T
α = αn + αp
Q = π.J − λ.∇T
Flux de chaleur
W/m²
Source : M. Lossec, M2R 2008
Gradient de
température
B. Multon et al
Schéma thermo-électrique équivalent,
simplifications dans le cas de la production par le corps humain
I
E = α .∆T
R
Rc
Uc
h
h
∆T = Th − Tc
Ambiance : 25 °C
convection - rayonnement
Rpeau
Th
Tcorps
Ph
Q
Rth
Tc
λ
Qj/2
Qj/2
Pc
Rconv/ray
Tambiante
Qpf
Qpc
Corps humain à 37°C
+ peau 100 K.m²/W
Q pc = Tc ⋅ α ⋅ I
Q pf = T f ⋅ α ⋅ I
Qj = R ⋅ I 2
B. Multon et al
Schémas thermique et électrique simplifiés et équations associées
Thermique
∆TG = R thG
Electrique
PeM
( α∆TG )
=
4RG
R thG
Tb − Ta
+ R thB + R thA
Maximisation de la puissance électrique
2
PuM = ηconv PeM
B. Multon et al
Optimisation du thermogénérateur
Si l’on cherche à maximiser le rendement c’est-à-dire le rapport ηTG =
Pe
Qh
alors il faut maximiser le produit Z.T avec T la température moyenne
ηTGM
T −T
= h c
Th
α2
Z=
4.ρ.λ
1 + ZT − 1
1 + ZT + 1
α = αn + αp
Facteur de mérite Z.T des matériaux thermoélectriques :
Tellurure de Bismuth
Z = 2,7 mK-1 @ 300 K (ZT≅ 0,8)
ηTGM ≅
Si ∆T = 15°C : ηTGM ≅ 2%
α 2 ∆T
ρ.λ 2
Mais ∆T << 15°C !!
À cause du mauvais couplage
thermique à l’environnement
La notion de rendement
n’est pas pertinente.
300 K
Source : Heat2power
B. Multon et al
Performances obtenues avec un module Ferrotec TMG-241-1.4-1.2
≅ 54 x 54 mm² 450 thermocouples
αglobal= 0,12 V/K
RG = 14 Ω
∆T ≅ 15°C
≅ 0,25°C
≅ 37°C
≅ 3 K/W
≅ 1 K/W
Améliorations :
1- Empilage de modules
≅ 57 K/W
≅ 30 mV
≅ 22°C
PeMax≅ 16 µW
Bilan mesures :
2- Dissipateur
3- Mouvements
4- Allongement des thermocouples, ici 55 mm (au lieu de 1,5)…
5- Meilleure optimisation du matériau : ne plus maximiser Z=α²/ρ.λ mais α²/ρ.λ²
56
B. Multon et al
Conversion DC-DC très basse tension
Une difficulté : élever de très basses tensions avec un bon rendement
TPS61200 (0,5 V mini)
mal adapté
à ce niveau de puissance :
à 100 µW η < qq%
LTC3537
VIN: 0.68V to 5V, VOUT: 1.5V to 5.25V
IOUT: 100mA @ 3.3V, VIN >0.8V
Nécessité :
- de bien dimensionner le convertisseur
- de disposer d’une tension suffisante
en sortie du générateur quitte
à utiliser des matériaux
moins performants
B. Multon et al
Exemples de transducteurs thermoélectriques
EnOcean GmbH, 2002
PMax ( R L = R i
(
α.∆T )2
)=
4.R i
Source www.enocean.com
6 mm²,
59400 thermocouples
en poly-Si ou poly-SiGe
0,6 µW/cm² @ ∆T = 10K
Source : Infineon 2002
B. Multon et al
al.
Application : montres (consommation qq µW et ∆T qq °C )
Seiko THERMIC
1998
Cellules de tellurure de bismuth
120 µm x 120 µm
Générateur : 22 µW sous 0,3 V,
un convertisseur électronique accroît la tension à 1,5 V
Source : J.
J. Stockholm,
« Génération Thermoélectrique »,
JEEA Cachan mars 2002.
1242 thermo-couples
Tension : 515 mV/K
puissance de sortie 13,8 µW/K
Citizen CTY66-0341
2001
B. Multon et al.
B. Multon et al
Applications possibles
Alimentation d’un oxymètre communicant : conso 62 µW,
capacité de génération 200 µW,
stockage par supercondensateur 22 mF
Source : Leonov, JRSE 2009
Vêtements « thermoélectriques »:
Technologie au stade de prototype,
tissu composé de nylon dans lequel sont tissés
des fils de deux alliages thermoélectriques.
Les matériaux nanostructurés permettent de
diminuer la conductivité thermique.
Source : CEA-Liten
60
B. Multon et al
Récupération des rayonnements
électromagnétiques
radio-fréquences
B. Multon et al
Ressources
Energie rayonnée par les sources existantes (téléphonie, Wifi…)
Observations Cartoradio
Observations Univ. Liège
Source : F. GALLEE
Télécom Bretagne, mars 2009
qq V/m à 10 V/m
dans les zones de réception (en 900 et 1800 MHz)
0,1 à 0,5 V/m (à 20 cm d’une borne wifi 50 mW)
Formes d’onde complexes (trains de pulses…)
Puissances très variables selon la distance des émetteurs
Avantage : puissance mieux
caractérisée, plus efficace
Exemples : bande 902-927 MHz champ électrique (Powercast)
« basse fréquence » (10 MHz) et courte distance < λ (30 m) champ magnétique
Systèmes dédiés : émetteurs spécifiques
Recommandations : (bande de fréquence 10 MHz-19GHz : pb d’échauffement des tissus)
DAS (Débit d’Absorption Spécifique) de
σ.E 2
2 W/kg localement (pour 10 grammes de tissus)
DAS =
σ (Ω.m) −1 et ϖ (kg.m − 3 )
ϖ
0,08 W/kg pour le corps entier
Limites de champ de 28 à 61V/m selon fréquence.
62
B. Multon et al
Chaîne de transmission - récupération
Source : F. GALLEE
Télécom Bretagne, mars 2009
Atténuation variable avec la distance selon directionalité
Exemple antenne Wifi (2,45 GHz) 100 mW
8 mW/m²
Source : Powercast
Source : F. GALLEE
Télécom Bretagne, mars 2009
63
B. Multon et al
Récupération par antenne planaire rectenna à 2,45 GHz
Limite travailleur (prof.)
137 V/m : 70 mW (3V-25 mA)
Limite grand public
61 V/m : 30 mW (3V-10 mA)
Source : F. GALLEE
Télécom Bretagne, mars 2009
64
B. Multon et al
Chaîne de conversion rectenna à 2,45 GHz
Source : DOUYERE et al IEEE-ICECS_2008
Source
65 : DOUYERE et al Elect. Letters 2008
B. Multon et al
Dispositif commercial émetteur + récepteur 915 MHz (902-928) :
Powercast
(PIRE =
Puissance Isotrope
Rayonnée Equivalente)
Conso :
24 V – 0,3 A (7,2 W)
Module de
réception :
-10 à 10 dBm
260 mW peak
12 mm
Emetteur
2,6 W
+ antenne
Supercondensateur
0,15 F – 3 V
60 mΩ
Source : Powercast Corp.
http://www.powercastco.com/
66
Autres modules pour
charge de batterie Lithium
B. Multon et al
Application : alimentation de TAG RFID passifs
35 mm
RFID, fréquences de 868 MHz (Europe) à 2,4 GHz
Source : GAO RFID Inc.
Avec un émetteur à 868 MHz (λ/8 ≅ 4 cm)
et 500 mW (PIRE = Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente)
@ 2,5 m : 1,6 V/m et -10 dBm
Source : F. GALLEE
Télécom Bretagne, mars 2009
67
B. Multon et al
BILAN
- Diversité des ressources accessibles, souvent renouvelables ou « perdues »
- Nombreuses solutions de conversion existantes, « marché » en émergence…
- « Approches systèmes » pour concevoir des chaînes de conversion
plus efficaces et mieux intégrées
- Nécessité quasi-systématique d’adaptation d’impédance
et/ou de fonctionnement MPPT
- Nécessité de prendre en compte les variations
de la ressource pour évaluer la productivité réelle
- Impératif de minimiser encore plus la consommation des dispositifs électroniques
B. Multon et al
Synthèse du potentiel de récupération
Photovoltaïque : jusqu’à 20 mW/cm² en extérieur
qq 10 µW/cm² en lunière artificielle
Mouvements : fortement dépendant de la fréquence et de l’amplitude
(systèmes résonnants : F3 et Xmax) donc γ² et F
qq µW à qq mW/cm3
Chaleur humaine (avec Tamb = 22°C) : qq µ à qq 10 µW/cm²
(objectif : 100 µW/cm²)
Ondes radiofréquences : qq µW à qq mW/cm²
69
B. Multon et al
Système de génération multisources:
70
Source : M. Lossec, thèse en cours
B. Multon et al
Bibliographie
Articles divers
STARNER T. “Human-Powered Wearable Computing.” IBM Systems Journal, Vol. 35, pages 618-629, 1996.
JANSEN A.J., STEVELS A.L.N., “Human Power, a sustainable option for electronics.” Electronics and the Environment", Proceedings IEEE International Symposium on,
1999, pages 215-218.
KNAPEN P.M.J., “Electric power suply system for portable miniature size power consuming devices”. Kinetron B.V., Tilburg, Pays-Bas - Brevet N° US 4644246, 17
february 1987, 7 pages.
PARADISO J., “Renewable Energy Sources for the Future of Mobile and Embedded Computing.” Computing Continuum Conference, San Francisco, CA, mars 2000.
RAM B., STEVELS A., GRIESE H., MIDDENDORF A., MULLER J., NISSEN N.F., REICH H., “Environmental performance of mobile products. Electronics and the
Environment”, Proceedings IEEE International Symposium on, 1999, pages 140-145.
SHENCK N.S., “A Demonstration of Useful Electric Energy Generation from Piezoceramics in a Shoe”. Thèse MIT Mai 99.
S P BEEBY, M J TUDOR, N M WHITE, “Energy harvesting vibration sources for microsystems applications”, Meas. Sci. Technol. 17 (2006) pp.175–195.
S. BASROUR, M. MARZENCKI, Y. AMMAR, H. BOUSSETTA, « Microgénérateurs et circuits de gestion de l’énergie pour microsystèmes autonomes », Séminaire GDR
SoC – SiP, ISEP-Paris, 22 Mars 2007.
P. D. MITCHESON, E. M. YEATMAN, G. K. RAO, A. S. HOLMES, T. C. GREEN, “Energy Harvesting From Human and MachineMotion forWireless Electronic
Devices”, Proceedings of the IEEE vol.96, n°9, Sept. 2008, pp.1457-1486.
CEA-Liten “Les nouvelles sources d’énergie miniatures pour applications nomades » dossier de presse 2008.
A. DOUYERE, J.D. LAN SUN LUK, F. ALICALAPA, “High Efficiency Microwave Rectenna Circuit: Modelling and Design”, Electronics Letters, 2008 Vol.44 (n°24).
A. DOUYERE, J.D. LAN SUN LUK, F. ALICALAPA, A. CELESTE, “Losses Analysis and Performance Improvement of a Rectenna for RFID Systems”, IEEE ICECS
2008.
D. GUYOMAR, G. SEBALD, S. PRUVOST, M. LALLART, A. KHODAYARI, C. RICHARD, “Energy Harvesting from Ambient Vibrations and Heat”, Journal of
Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 20, March 2009, pp. 608-624.
P Basset, D Galayko, A Mahmood Paracha, F Marty, A Dudka, T Bourouina, « A batch-fabricated and electret-free silicon electrostatic vibration energy harvester”, J.
Micromech. Microeng. 19 (2009) 115025 (12pp).
V. LEONOV, R. J. M. VULLERS, “Wearable electronics self-powered by using human body heat: The state of the art and the perspective”, Journal of Renewable and
Sustainable Energy, vol 1, issue 6, 2009.
F. GALLEE, “Micro-ondes et économie d’énergie”, Journée TIC & DD, Télécom Bretagne, 26 mars 2009.
W. G. LI, S. HE, S. YU, « Improving Power Density of a Cantilever Piezoelectric Power Harvester Through a Curved L-Shaped Proof Mass”, IEEE Trans. IE, Vol.. 57,
n°3, march 2010 pp. 868-876.
A. TABESH, L. G. FRECHETTE, “A Low-Power Stand-Alone Adaptive Circuit for Harvesting Energy From a Piezoelectric Micropower Generator”, IEEE Trans. IE,
Vol.. 57, n°3, march 2010 pp. 840-849.
A. KHALIGH, P. ZENG, C. ZHENG, “Kinetic Energy Harvesting Using Piezoelectric and Electromagnetic Technologies—State of the Art”, IEEE Trans. IE, Vol.. 57,
n°3, march 2010 pp. 850-860.
B. Multon et al
al.
Articles SATIE http://www.satie.ens-cachan.fr/
S. TURRI, B. MULTON, H. BEN AHMED, D. MILLER, F. MULTON, P. DELAMARCHE, « Caractérisation d’un générateur portable : de
l’énergie humaine à l’électricité », Colloque GEVIQ, Marseille 12-13 juin 2002, pp.11-16.
S. TURRI, G. POULIN, « L’exploitation de l’énergie des mouvements humains », Colloque Energie portable : autonomie et intégration dans
l’environnement humain (Journées Electrotechniques du Club EEA), Cachan 21-22 mars 2002.
S. TURRI, D. MILLER, H. BEN AHMED, B. MULTON, “Design of an electro-mechanical portable system using natural human body movements for
electricity generation”, European Power Electronics Conf. 2003, Toulouse, sept. 2003 CDROM.
M. RUELLAN, S. TURRI, H. BEN AHMED, B. MULTON, « Electromagnetic Resonant Generator », IEEE IAS annual meeting, Hong Kong,
CDROM proc., 2-6 oct. 2005, 8 p.
M. LOSSEC, B. MULTON, H. BEN AHMED, L. L’HOURS, P. QUINTON, G. NICOLAS, A. SOREL, J. PRIOUX, « Optimization Methodology for
a Multi-Source-Energy Generation System using the Human Environment Energy Resource », NEST 2009 (New Energy Solutions in Tours), 26-27
may 2009.
M. LOSSEC, B. MULTON, H. BEN AHMED, C. FREDY, F. LE BOURHIS, S. MOYA, «Etude d’un générateur micro-cinétique : modélisation
énergétique et optimisation du transfert d’énergie », Electrotechnique du Futur 2009 (ISBN 978-2-913923-30-0), Compiègne, 24-25 sept. 2009, 23C.
M. LOSSEC, B. MULTON, H. BEN AHMED, « Micro-Kinetic Generator: Modeling, Energy Conversion Optimization and Design Considerations »,
IEEE MELCON, Malta 26-28 April 2010.
Colloque Energie portable : autonomie et intégration dans l’environnement humain (mars 2002)
http://www.satie.ens-cachan.fr/jeea2002/JEEAindex.htm
John STOCKOLM (Marvel Thermoelectrics), « Génération thermoélectrique »
Anne LABOURET, « Cellules solaires quelle autonomie en énergie portable ? »
Franck MULTON et Paul DELAMARCHE, « L’énergie chez l’homme »
Jérôme DELAMARE, Orphée CUGAT, « Micro sources d’énergie thermo-mécaniques »
Alain LEVASSEUR, Brigitte PECQUENARD, Philippe VINATIER (ICMB Bordeaux) et Jean-Paul TERRAT, Michel MARTIN, Frédéric
FAVERJON (HEF), « Les microaccumulateurs »
Stéphane RAEL, Bernard DAVAT, F. BELHACHEMI (GREEN Nancy), « Supercondensateurs à couche double électrique : principes de
fonctionnement et comportement électrique »
Michel FROELICHER et René JACQUES (CETEHOR, Besançon), « Les énergies renouvelables dans la montre »,
Sylvie TURRI et Guylaine POULIN (LESiR, ENS Cachan sites de Cachan et de Rennes), « Dispositifs exploitant l’én ergie des mouvements humains »
Remerciements au CNRS pour son soutien : PEPS 2007-2009 (ST2I), AS 2001-2002 (SPI-STIC)
B. Multon et al
al.
ANNEXE
Informations complémentaires
73
B. Multon et al
Compléments
Energie d’origine métabolique
74
B. Multon et al
Conversion d’énergie métabolique
Le vecteur d’énergie intracellulaire est l’ATP (adénosine triphosphate)
Production d’ATP à partir de « substrats métaboliques » :
créatine phosphate, glucides, lipides, protéines
Conversion glucose -> ATP
6O2 + C6 H12 O6 → 6CO2 + 6H2 O + 38 ATP
Hydrolyse de l’ATP = contraction des muscles = conversion chimique – mécanique
Rendement musculaire
78%
Wthermique
Hydrolyse
de l’ATP
22%
Wmécanique
La dégradation du glucose
consomme :
1 litre d’O2 pour 5,05 kcal
(21 kJ ou 5,8 Wh)
Graisses, lipides (triglycérides ) :
1 litre d’O2 pour 4,7 kcal
Moyenne des substrats énergétiques : 1 litre d’O2 pour 4,8 kcal ou 20 kJ
Source : Franck MULTON et Paul DELAMARCHE, « L’énergie chez l’homme », JEEA Cachan mars 2002
B. Multon et al
al.
Conversion d’énergie métabolique
Relations
Consommation d’oxygène (VO2)
Fréquence cardiaque
fonctions de la puissance mécanique produite
Accroissement de
1 litre O2/min
≅ 20 kJ/mn soit 330 watts
et, avec 22% de rendement,
70 watts mécaniques
Un moyen de mesurer la puissance…
B. Multon et al
al.
Puissance mécanique lors d’exercices physiques
Vélo :
en promenade : Pméca = 75 W
en crête (côte) : Pméca_Max = 350 W
Puissance
« facilement »
convertible
Natation :
en moyenne Pcal = 580 W, Pméca = 110 W
15 mn de pédalage
= 1 heure de lumière (11 W)
Marathon :
en moyenne Pcal = 1100 W, Pméca = 220 W
B. Multon et al
Compléments
Autres exemples de systèmes
de récupération d’énergie
mécanique humaine
78
B. Multon et al
Système Kinetic de Seiko
Une masselotte (principe des montres « automatiques »)
entraîne, à travers un multiplicateur de vitesse à engrenages,
un générateur électromagnétique à aimants à très haute vitesse (qq 100 000 tr/mn).
L’énergie est stockée dans un accumulateur,
puis restituée à l’électronique de comptage et au moteur qui entraîne les aiguilles
B. Multon et al
Chargeurs divers
Chargeur à main « Alladin Power » (Nissho)
1,6 W pour 90 cycles par minute
Chargeur à pied « Stepcharger » (Nissho)
jusqu’à 6 W
Chargeur à pédale (Windstream Power)
Chargeur de batterie 12 V
50 W avec les mains
125 W avec les pieds
550 $
B. Multon et al
Chargeurs de téléphone :
en veille : qq 10 mW,
en appel : qq W
Chargeur à main enrouleur Nissho Engineering
3 W pour 60 cycles par minute
Chargeur à manivelle
Freepaly
45 secondes de remontage
donnent 3 à 6 min d’appel
B. Multon et al
Chargeur Souris Verte (+ lampe de poche)
http://www.lsvproduction.com/
Condensateur de stockage
À tirette et ressort de rappel
1,5 watts, 110 grammes
multiplicateur
de vitesse
à engrenages
Tirette
Ressort de rappel
LED
blanche
Génératrice
à aimants
Circuit électronique
(puissance et contrôle)
B. Multon et al
Lampes rechargeables
ressort
+
bobines
Freepaly
Stockage à ressort
interrupteur
de la radi o
génératrice
mani velle
électroni que du
train
=
à courant
circuit audi o
énergie humaine d’engrenage
continu
Nightstar flashlight
À secouer, stockage dans condensateur
30 secondes de secousses (à 3 Hz)
-> 5 minutes de lumière intense
puis 2 minutes de lumière plus faible
environ 390 g.
B. Multon et al
Poste de radio Freepaly
Tri-sources, rechargeable par :
- Manivelle (Stockage à ressort)
- Module photovoltaïque
- chargeur secteur
Clavier à touches génératricesaimant
Compaq 1999
Brevet N° US 5911529
Genouillère (Canada)
clavier
bobine
aimant
bobine
Chaussures génératrices
MIT media lab.
touche
aimant
bobine
aimant
ressort
Pmoy=5W
Ö 1 minute de
marche = 10 minutes
de téléphone
B. Multon et al
Interrupteur sans fils
PTM200 EnOcean
à convertisseur
électromagnétique
Prix du pack complet (bouton émetteur + récepteur) : environ 100 €
B. Multon et al
Dynamos vélos
La puissance moyenne de pédalage étant de 75 W,
on peut prélever quelques watts pour l’éclairage sans créer une surcharge de travail excessive…
À condition que le rendement soit bon !
Conventionnelles : entraînement par friction sur la jante ou le flanc du pneu
3 à 4,5 W sous 6V efficaces (alternatifs),
Génératrice à aimant bas de gamme
Pas cher, rendement médiocre 15 à 30%
De 15 à 25 W mécaniques supplémentaire !
Puissance maximale obtenue à partir de 15 km/h
Rendement amélioré
Lightspin
Génératrice à aimants hautes performances
Régulateur électronique à découpage
Plus cher, excellent rendement > 90%
Puissance maximale obtenue à partir de 7,5 km/h
Accumulateur intégré : 45 mn d’autonomie.
B. Multon et al
Dynamos à entraînement direct dans le moyeu
Moyeu Dynamo SHIMANO 6V 3W (50 €)
Moyeu NABEN DYNAMO 6V 3W.
Haut rendement à faible vitesse (150 €)
Pédales éclairantes
Bizmate, masse + 20 g,
La solution idéale dans tous ces générateurs :
une génératrice à aimants, sans balais et une électronique de puissance et de contrôle
B. Multon et al
Générateurs piézoélectriques
Sac à dos (Université de
Technologie du Michigan):
Vmarche= 5 km/h Ö P = 45mW
Discothèque :
une personne Ö P=20 mW
Nanofils d’oxyde de zinc (Université de Georgie):
P=8 µW/cm2
88
B. Multon et al
Compléments
Analyse quantitative expérimentale
d'un dispositif commercial
radio Freeplay
Travaux menés en collaboration avec le
LPBM Laboratoire de physiologie et de biomécanique de l’exercice musculaire (Rennes)
Participation LPBM : F. Multon et P. Delamarche – SATIE : S. Turri, D. Miller, B. Multon, H. Ben Ahmed
89
B. Multon et al
Analyse quantitative expérimentale d'un dispositif commercial
(radio Freeplay)
collab. SATIE – LPBM Laboratoire de physiologie et de biomécanique de l’exercice musculaire
Objectif : analyser la conversion complète énergie humaine => électricité
Ressort
Train d’engrenages
Générateur à aimants
Instrumentation
électrique et mécanique
B. Multon et al
al.
Partie mécanique :
Manivelle et ressort :
(bras de levier 7,5 cm)
60 tours
ressort : 360 g, 220 J
environ 0,17 Wh/kg
Energie
cumulée
Couple
mécanique
Remontage direct : 60 tr/mn
Déroulement lent : 5 tr/mn
à travers multiplicateur
à 3 trains d’engrenages : m = 326
à 1 tr/s : 2,5 W
à
5,4 W
B. Multon et al
al.
Partie électromécanique :
Génératrice à collecteur 3 V
débit direct
à travers une diode série,
sur accumulateur NiCd
η
Tension génératrice
Courant génératrice
U=3V
I(A) N/1000 (tr/min)
Energie électrique produite par le générateur :
Couple en Nm
Du ressort à la génératrice : η
electroméca
≅ 35%
sur un cycle 78 J
(65% générateur électromagnétique et 54% multiplicateur à engrenages)
B. Multon et al
al.
Conversion électrique : juste une diode et deux transistors pour arrêter la
décharge de la batterie en dessous d’un seuil
78 J
62 J
Energie
génératrice
ηener ≅ 79%
Energie batterie
B. Multon et al
al.
Accumulateur électrique :
NiCd : 2 éléments 600 mAh
sous 2,4 V : cela donne environ 5200 J soit 60 remontages !
Une recharge complète (éventuellement sur secteur) confère 12 à 14 h d ’écoute
un remontage d’une minute (à 1 tr/s) offre environ 1/4 h d ’écoute
(pour un déroulement de 5 mn)
B. Multon et al
al.
Bilan énergétique global
Chaleur dégagée
Puissance
mécanique
Pertes mécaniques
Pertes mécaniques
Joule
magnétiques
pertes
électroniques
Puissance
Mécanique
HUMAIN
Phase de recharge humaine
Réducteur
Générateur
“ Convertisseur ”
Phase de transfert électromécanique
≅ 0,13 l/mn d’O2
0,7 kcal/mn soit 50 Wcal
η ≅ 65%
η ≅ 54%
η ≅ 79%
soit ≅ 10 Wméca
avec η ≅ 20%
Puissance méca
Électroméca global : η ≅ 28 %
2,5 à 5,4 W
η batterie ?
B. Multon et al
al.
Compléments
Conversion à partir de carburant
(on ne peut pas vraiment parler de récupération)
96
B. Multon et al
Conversion à partir de carburants
Micro-moteurs thermiques (combustion externe : Stirling ou interne : explosion)
Moteur Wankel de Berkeley
Générateur électromagnétique
grande vitesse
Microturbine MIT
LEG/LETI
Source : Jérôme DELAMARE, Orphée CUGAT, « Micro sources d’énergie thermo-mécaniques », JEEA 2002, Cachan
B. Multon et al
Conversion à partir de carburants
Micro-piles à combustibles (infos CEA)
Chaleur, eau
Fuel Cell
Hydrogène
Energie électrique
transformation directe
DMFC
(Direct Methanol Fuel Cell)
Carburant (Méthanol)
(CH3OH)
Conversion directe
Chaleur, CO2
Possibilités de bon rendement électrique : plus de 50%
Compromis rendement – densité de puissance (compacité – échauffement)
Source : Paul LUCCHESE (CEA), « Piles à combustible. Possibilités de miniaturisation », JEEA 2002, Cachan
B. Multon et al
Conversion à partir de carburants
Mini-piles à combustibles
DMFC Ballard 25 W
DMFC Motorola 0,1 W
Micro-piles (intégrées) à combustibles (infos CEA)
H2O
Air
Collecteur
cathode
CEA
eO2
Catalyseur
Electrolyte
Catalyseur
H+
Diffuseur
H2
e-
Collecteur
anode
Hydrogène
ou
Mét hanol
Réalisation CEA
sur tranche silicium
Source : Paul LUCCHESE (CEA), « Piles à combustible. Possibilités de miniaturisation », JEEA 2002, Cachan
B. Multon et al
Exemples à pile à combustible
Chargeur Mobion (MTI MicroFuel Cells)
Technologie DMFC, P=62mW/cm2, E=1,8kWh/kg
Ö Permet de recharger 10 fois son téléphone
Université de l’Illinois: filière méthanol
Taille: 3mmx3mmx1mm
V=0.7V, I=0.1mA pendant 30h
Ö P=1,3W/cm2
Pile pour hélicoptère de 20cm (Allemagne)
Technologie PEMFC
P=12 W pour m=30 g soit 400W/kg
Micro‐piles à combustibles:
CEA: filière hydrogène, technologie des couches minces
P=150‐400mW/cm2
Objectif: 1W/cm2
100
B. Multon et al